本發(fā)明涉及光通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種微反射鏡陣列波前傳感裝置及方法。

背景技術(shù)：

自由空間光通信是一種利用光波作為載波信號(hào)，在自由空間中實(shí)現(xiàn)圖像、語音、視頻等信息的傳輸?shù)臒o線通信方式，由于其頻帶寬、速率高、安全性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)輕巧、架設(shè)方便，滿足了現(xiàn)代社會(huì)對(duì)無線通信高速率的迫切需求，因而得到了廣泛重視。自由空間光通信在星際通信、星地通信、近地通信以及機(jī)載通信方面發(fā)揮著巨大的作用，然而，自由空間光通信的發(fā)展受到了大氣湍流效應(yīng)的制約。激光載波信號(hào)在大氣信道傳播的過程中，大氣湍流效應(yīng)導(dǎo)致激光載波信號(hào)的相位和振幅在時(shí)間和空間上發(fā)生了隨機(jī)抖動(dòng)，降低了自由空間光通信系統(tǒng)的耦合效率并提高了誤碼率，降低了自由空間光通信的通信質(zhì)量。

自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)將光學(xué)、電子學(xué)和微機(jī)械有機(jī)融合，能夠有效抑制大氣湍流引起的光束傾斜和波前畸變，實(shí)時(shí)探測(cè)波前畸變并進(jìn)行校正，是目前克服大氣湍流效應(yīng)的有效方法之一，被廣泛應(yīng)用于深空探測(cè)、醫(yī)學(xué)影像等領(lǐng)域。在自由空間光通信系統(tǒng)中，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)主要基于波前傳感裝置、波前校正裝置和波前控制裝置實(shí)現(xiàn)相位畸變的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，從而有效抑制大氣湍流對(duì)通信性能的影響，其中，波前傳感裝置是自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的核心，但目前的波前傳感裝置往往存在運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)、實(shí)時(shí)性差以及對(duì)激光閃爍效應(yīng)敏感等問題，導(dǎo)致傳感效率降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，有必要針對(duì)現(xiàn)有的波前傳感裝置存在的運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)、實(shí)時(shí)性差以及對(duì)激光閃爍效應(yīng)敏感，導(dǎo)致傳感效率降低的問題，提供一種微反射鏡陣列波前傳感裝置及方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取如下的技術(shù)方案：

一種微反射鏡陣列波前傳感裝置，所述裝置包括微反射鏡陣列、調(diào)節(jié)模塊和探測(cè)模塊，所述微反射鏡陣列由2×2的傾斜鏡組成，且所述2×2的傾斜鏡位于光通信系統(tǒng)接收天線的光學(xué)焦面上，所述調(diào)節(jié)模塊與所述2×2的傾斜鏡連接，

所述微反射鏡陣列接收自由空間光通信中的激光載波信號(hào)光束，并將所述激光載波信號(hào)光束反射至所述探測(cè)模塊；

所述調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)所述微反射鏡陣列中的任意一塊傾斜鏡，將四分之三的所述激光載波信號(hào)光束反射至所述探測(cè)模塊；

所述探測(cè)模塊根據(jù)接收到的四分之三的激光載波信號(hào)光束的光強(qiáng)計(jì)算所述激光載波信號(hào)光束的相位信息。

相應(yīng)地，本發(fā)明還提出一種微反射鏡陣列波前傳感方法，所述方法包括以下步驟：

微反射鏡陣列接收自由空間光通信中的激光載波信號(hào)光束，并將所述激光載波信號(hào)光束反射至探測(cè)模塊，所述微反射鏡陣列由2×2的傾斜鏡組成，且所述2×2的傾斜鏡位于光通信系統(tǒng)接收天線的光學(xué)焦面上；

調(diào)節(jié)所述微反射鏡陣列中的任意一塊傾斜鏡，將四分之三的所述激光載波信號(hào)光束反射至探測(cè)模塊；

所述探測(cè)模塊根據(jù)接收到的四分之三的所述激光載波信號(hào)光束的光強(qiáng)計(jì)算所述激光載波信號(hào)光束的相位信息。

上述微反射鏡陣列波前傳感裝置及方法通過對(duì)自由空間光通信中的激光載波信號(hào)進(jìn)行順序操作，探測(cè)模塊只需要一個(gè)光瞳圖像就可以實(shí)現(xiàn)波前傳感，減小了波前傳感的延時(shí)，且對(duì)于光波閃爍不敏感，尤其對(duì)于自由空間光通信系統(tǒng)而言，上述波前傳感裝置及方法的傳感效率相比于傳統(tǒng)波前傳感方法的傳感效率更高?；谏鲜鰝鞲蟹椒ɑ蜓b置的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)可有效提高通信系統(tǒng)的可靠性，使得基于自適應(yīng)光學(xué)的光學(xué)通信系統(tǒng)更加適用于遠(yuǎn)距離無線通信和機(jī)載無線通信等技術(shù)領(lǐng)域，為推進(jìn)自適應(yīng)光學(xué)在自由空間光通信中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明微反射鏡陣列波前傳感裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明微反射鏡陣列波前傳感方法的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，一種微反射鏡陣列波前傳感裝置，如圖1所示，該裝置包括微反射鏡陣列100、調(diào)節(jié)模塊200和探測(cè)模塊300，微反射鏡陣列100由2×2的傾斜鏡組成且2×2的傾斜鏡位于光通信系統(tǒng)接收天線的光學(xué)焦面上，微反射鏡陣列100接收自由空間光通信中的激光載波信號(hào)光束1，并將激光載波信號(hào)光束1反射至探測(cè)模塊300；調(diào)節(jié)模塊200與2×2的傾斜鏡連接，用于控制傾斜鏡的傾斜角度，調(diào)節(jié)模塊200調(diào)節(jié)微反射鏡陣列100中的任意一塊傾斜鏡2，將四分之三的激光載波信號(hào)光束1反射至探測(cè)模塊300；探測(cè)模塊300根據(jù)接收到的四分之三的激光載波信號(hào)光束1的光強(qiáng)計(jì)算激光載波信號(hào)光束1的相位信息。圖2中的激光載波信號(hào)光束3為傾斜鏡2反射的部分激光載波信號(hào)光束，在計(jì)算相位信息時(shí)，忽略該激光載波信號(hào)光束的強(qiáng)度。

具體地，在本實(shí)施例中，微反射鏡陣列100包括4個(gè)傾斜鏡，且傾斜鏡以2×2的方式進(jìn)行組合，其中傾斜鏡是指能夠在外部電壓控制下實(shí)現(xiàn)一定傾斜角度的光學(xué)設(shè)備，同時(shí)，微反射鏡陣列100位于光通信系統(tǒng)接收天線的光學(xué)焦面上，從而能夠接收自由空間光通信中的激光載波信號(hào)光束1。

微反射鏡陣列100接收自由空間光通信中的激光載波信號(hào)光束1后，調(diào)節(jié)模塊200調(diào)節(jié)微反射鏡陣列100中的任意一塊傾斜鏡(如附圖1所示，調(diào)節(jié)傾斜鏡2)，使其它三塊傾斜鏡接收到的四分之三的激光載波信號(hào)光束反射至探測(cè)模塊300，供探測(cè)模塊300進(jìn)行分析，并忽略所調(diào)節(jié)的傾斜鏡2所反射的激光載波信號(hào)光束3。

最后，探測(cè)模塊300根據(jù)接收到的四分之三的激光載波信號(hào)光束的光強(qiáng)計(jì)算激光載波信號(hào)光束1的相位信息，從而達(dá)到波前傳感的目的。本實(shí)施例中的探測(cè)模塊300可以利用相機(jī)作為探測(cè)平面，接收微反射鏡陣列100反射的四分之三的激光載波信號(hào)光束并分析光強(qiáng)的相對(duì)大小，探測(cè)模塊300由探測(cè)平面接收到的激光載波信號(hào)光束計(jì)算激光載波信號(hào)光束的相位信息，每次得到的x方向和y方向的信號(hào)強(qiáng)度可以通過公式(1)和公式(2)計(jì)算：

其中，S_x(x,y)和S_y(x,y)為每次運(yùn)算得到的不同方向的光強(qiáng)，I_sn(x,y)為(x,y)位置的光強(qiáng)，n＝1，2，3，4。探測(cè)模塊300根據(jù)計(jì)算得到的光強(qiáng)重構(gòu)激光載波信號(hào)光束的相位信息，重構(gòu)激光載波信號(hào)光束的波前，實(shí)現(xiàn)波前傳感。

本發(fā)明微反射鏡陣列波前傳感裝置中的探測(cè)模塊只需要一個(gè)光瞳圖像就可以實(shí)現(xiàn)波前傳感，減小了波前傳感的延時(shí)，且對(duì)于光波閃爍不敏感，尤其對(duì)于自由空間光通信系統(tǒng)而言，上述波前傳感裝置的傳感效率相比于傳統(tǒng)波前傳感裝置的傳感效率更高?；谏鲜鑫⒎瓷溏R陣列波前傳感裝置的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)可有效提高通信系統(tǒng)的可靠性，使得基于自適應(yīng)光學(xué)的光學(xué)通信系統(tǒng)更加適用于遠(yuǎn)距離無線通信和機(jī)載無線通信等技術(shù)領(lǐng)域，為推進(jìn)自適應(yīng)光學(xué)在自由空間光通信中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

作為一種具體的實(shí)施方式，2×2的傾斜鏡可以利用2×2的高速壓電偏轉(zhuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)，例如利用哈爾濱芯明天科技有限公司生產(chǎn)的P32系列壓電偏轉(zhuǎn)鏡作為本實(shí)施方式中的傾斜鏡，由于該系列壓電偏轉(zhuǎn)鏡的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)且結(jié)構(gòu)內(nèi)置性能可靠，因此可以保證波前傳感的實(shí)時(shí)性和可靠性。由于一般的傾斜鏡并不攜帶控制系統(tǒng)，因此對(duì)于傾斜鏡的調(diào)節(jié)控制可以利用與其連接的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，即可以以計(jì)算機(jī)作為調(diào)節(jié)模塊來實(shí)現(xiàn)對(duì)傾斜鏡的調(diào)節(jié)和控制。

作為一種具體的實(shí)施方式，探測(cè)模塊包括依次連接的信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算子模塊、局部?jī)A斜計(jì)算子模塊和波前重構(gòu)子模塊，信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算子模塊根據(jù)接收到的四分之三的激光載波信號(hào)光束的光強(qiáng)計(jì)算x方向的信號(hào)強(qiáng)度和y方向的信號(hào)強(qiáng)度；局部?jī)A斜計(jì)算子模塊根據(jù)x方向的信號(hào)強(qiáng)度和y方向的信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算激光載波信號(hào)光束的局部?jī)A斜；波前重構(gòu)子模塊根據(jù)激光載波信號(hào)光束的局部?jī)A斜重構(gòu)激光載波信號(hào)光束的波前，獲得激光載波信號(hào)光束的相位信息。

在該具體實(shí)施方式中，信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算子模塊根據(jù)接收到的四分之三的激光載波信號(hào)光束并利用公式(1)和公式(2)計(jì)算x方向的信號(hào)強(qiáng)度和y方向的信號(hào)強(qiáng)度，即信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算子模塊利用公式(1)和公式(2)計(jì)算接收到的四分之三的激光載波信號(hào)光束的x方向和y方向的光強(qiáng)；局部?jī)A斜計(jì)算子模塊根據(jù)x方向的信號(hào)強(qiáng)度和y方向的信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算激光載波信號(hào)光束的局部?jī)A斜，而波前重構(gòu)子模塊根據(jù)激光載波信號(hào)光束的局部?jī)A斜重構(gòu)激光載波信號(hào)光束的波前，獲得激光載波信號(hào)光束的相位信息，局部?jī)A斜計(jì)算子模塊和波前重構(gòu)子模塊的具體計(jì)算過程如下：

光瞳面的激光載波信號(hào)光束的復(fù)振幅可表示為：

其中，u₀是振幅，是相位，P是孔徑函數(shù)，λ是波長(zhǎng)。

在微反射鏡陣列上的激光載波信號(hào)光束的復(fù)振幅可表示為：

其中，f₁是激光載波信號(hào)光束入射至探測(cè)器前的透鏡焦距，微反射鏡陣列波前傳感方法的實(shí)現(xiàn)原理具體可由以下公式描述：

這里：

探測(cè)模塊的探測(cè)平面的復(fù)振幅分布為：

這里，f₂為焦面探測(cè)系統(tǒng)的焦距，將代入和帶入上式，則和可表示為：

其中:

其中，δ是狄克拉函數(shù)，表示卷積。從公式(15)我們可以看出，A表示原始沒有衍射的光場(chǎng)傳播，B、C和D均表示衍射項(xiàng)，C表示一個(gè)邊緣的衍射，D表示另外一邊的衍射，B表示兩邊衍射的共同作用。衍射作用導(dǎo)致能量減弱和探測(cè)面的強(qiáng)度起伏。

每一次探測(cè)模塊計(jì)算得到的激光載波信號(hào)光束的強(qiáng)度分布為：

信號(hào)S_x和S_y由計(jì)算四個(gè)部分的光強(qiáng)分布決定，表示為：

其中：

其中，和分別表示x和y方向的交叉項(xiàng)。

相應(yīng)地，在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖2所示，本發(fā)明還提出一種基于前述的微反射鏡陣列波前傳感裝置的微反射鏡陣列波前傳感方法，所述方法包括以下步驟：

S100微反射鏡陣列接收自由空間光通信中的激光載波信號(hào)光束，并將所述激光載波信號(hào)光束反射至探測(cè)模塊，所述微反射鏡陣列由2×2的傾斜鏡組成，且所述2×2的傾斜鏡位于光通信系統(tǒng)接收天線的光學(xué)焦面上；

S200調(diào)節(jié)所述微反射鏡陣列中的任意一塊傾斜鏡，將四分之三的所述激光載波信號(hào)光束反射至探測(cè)模塊；

S300所述探測(cè)模塊根據(jù)接收到的四分之三的所述激光載波信號(hào)光束的光強(qiáng)計(jì)算所述激光載波信號(hào)光束的相位信息。

具體地，在步驟S100中，微反射鏡陣列包括4個(gè)傾斜鏡，且傾斜鏡以2×2的方式進(jìn)行組合，其中傾斜鏡是指能夠在外部電壓控制下實(shí)現(xiàn)一定傾斜角度的光學(xué)設(shè)備，同時(shí)，微反射鏡陣列位于光通信系統(tǒng)接收天線的光學(xué)焦面上，從而能夠接收自由空間光通信中的激光載波信號(hào)光束。

微反射鏡陣列接收自由空間光通信中的激光載波信號(hào)光束后，在步驟S200中，調(diào)節(jié)微反射鏡陣列中的任意一塊傾斜鏡，使其它三塊傾斜鏡接收到的四分之三的激光載波信號(hào)光束反射至探測(cè)模塊，供探測(cè)模塊進(jìn)行分析，并忽略所調(diào)節(jié)的傾斜鏡反射的激光載波信號(hào)光束。

最后，在步驟S300中，探測(cè)模塊根據(jù)接收到的四分之三的激光載波信號(hào)光束的光強(qiáng)計(jì)算激光載波信號(hào)光束的相位信息，從而達(dá)到波前傳感的目的。在該步驟中，可以利用相機(jī)作為探測(cè)模塊的探測(cè)平面，接收微反射鏡陣列反射的四分之三的激光載波信號(hào)光束并分析光強(qiáng)的相對(duì)大小，探測(cè)模塊由探測(cè)平面接收到的激光載波信號(hào)光束計(jì)算激光載波信號(hào)光束的相位信息具體實(shí)現(xiàn)方法可以參照前述的微反射鏡陣列波前傳感裝置中探測(cè)模塊的實(shí)現(xiàn)方法，此處不再贅述。

本實(shí)施例所提出的微反射鏡陣列波前傳感方法通過對(duì)自由空間光通信中的激光載波信號(hào)光束進(jìn)行順序操作，探測(cè)模塊只需要一個(gè)光瞳圖像就可以實(shí)現(xiàn)波前傳感，減小了波前傳感的延時(shí)，且對(duì)于光波閃爍不敏感，尤其對(duì)于自由空間光通信系統(tǒng)而言，上述波前傳感方法的傳感效率相比于傳統(tǒng)波前傳感方法的傳感效率更高?；谏鲜鑫⒎瓷溏R陣列波前傳感方法的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)可有效提高通信系統(tǒng)的可靠性，使得基于自適應(yīng)光學(xué)的光學(xué)通信系統(tǒng)更加適用于遠(yuǎn)距離無線通信和機(jī)載無線通信等技術(shù)領(lǐng)域，為推進(jìn)自適應(yīng)光學(xué)在自由空間光通信中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

作為一種具體的實(shí)施方式，2×2的傾斜鏡可以利用2×2的高速壓電偏轉(zhuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)，例如利用哈爾濱芯明天科技有限公司生產(chǎn)的P32系列壓電偏轉(zhuǎn)鏡作為本實(shí)施方式中的傾斜鏡，由于該系列壓電偏轉(zhuǎn)鏡的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)且結(jié)構(gòu)內(nèi)置性能可靠，因此可以保證波前傳感的實(shí)時(shí)性和可靠性。由于一般的傾斜鏡并不攜帶控制系統(tǒng)，因此對(duì)于傾斜鏡的調(diào)節(jié)控制可以利用與其連接的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

作為一種具體的實(shí)施方式，探測(cè)模塊根據(jù)接收到的四分之三的激光載波信號(hào)光強(qiáng)計(jì)算激光載波信號(hào)的相位信息的過程包括以下步驟：根據(jù)接收到的四分之三的激光載波信號(hào)光束的光強(qiáng)計(jì)算x方向的信號(hào)強(qiáng)度和y方向的信號(hào)強(qiáng)度；根據(jù)x方向的信號(hào)強(qiáng)度和y方向的信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算激光載波信號(hào)光束的局部?jī)A斜；根據(jù)激光載波信號(hào)光束的局部?jī)A斜重構(gòu)激光載波信號(hào)光束的波前，獲得激光載波信號(hào)光束的相位信息。本實(shí)施方式的各個(gè)步驟的實(shí)現(xiàn)方法可以參照前述的信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算子模塊、局部?jī)A斜計(jì)算子模塊以及波前重構(gòu)子模塊的實(shí)現(xiàn)方法，此處不再贅述。以上所述實(shí)施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡(jiǎn)潔，未對(duì)上述實(shí)施例中的各個(gè)技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。